超短パルスレーザーとは
What is an Ultrashort Pulsed Laser
超短パルスレーザーとは、10兆分の1秒という非常に短い時間幅の光パルスを発するレーザーです。このような光パルスは、さまざまな周波数（色）の光を、位相をそろえて重ね合わせることで実現できます（図１）。超短パルスレーザーは、短い時間幅、高いピークパワー、広いスペクトルという性質を兼ね備えているので、高速光通信、材料加工、光計測などへの応用が期待されています。また、基礎科学分野では、電子や原子、分子の高速な運動を観測・制御するための重要なツールとなっています。
Ultrashort pulsed lasers are lasers that emit optical pulses with a very short time duration of one-trillionth of a second. Such optical pulses can be realized by superimposing light of various frequencies (colors) with aligned phases (Fig. 1). The ultrashort pulsed lasers are expected to find applications in high-speed optical communications, materials processing, and optical measurement, thanks to their combination of properties of short time duration, high peak power, and broad spectrum. In the field of basic science, they are also important tools for observing and controlling the high-speed motion of electrons, atoms, and molecules.
Fig. 1 Schematic of an ultrashort optical pulse
中赤外域の超短パルスレーザー
Ultrashort Pulsed Lasers in the Mid-Infrared
芦原研究室では、特に「中赤外」の波長領域に注目しています。この波長域は、「分子の指紋領域」とも呼ばれ、機器分析や生体計測、環境モニタリングなどの幅広い分野で中赤外光が利用されています。また、ポリマー材料の光加工や、長波長光通信でもその有効性が注目されている波長域です。このような背景から、中赤外領域の超短パルスレーザーは、非線形分子分光や高強度場非線形光学を中心とした様々な分野で需要が高まっています。
We are particularly interested in the “mid-infrared” region. This region is called the “molecular fingerprint region,” and mid-infrared light is used in a wide range of fields such as instrumental analysis, biological measurement, and environmental monitoring. This region is also attracting attention for its utilities in optical processing of polymer materials and long-wavelength optical communications. Recently, demand for ultrashort pulsed lasers in the mid-infrared region is increasing in various fields, particularly nonlinear molecular spectroscopy and intense-field nonlinear optics.
しかし、中赤外域の超短パルスを作り出すことは簡単ではありません。現在、主に近赤外域の超短パルスレーザーを起点に、非線形光学効果により波長変換する方法が取られていますが、エネルギー効率、安定性、導入コストなどに大きな課題が残っています。そこで、芦原研究室では、より簡便で優れたエネルギー効率・ビーム品質を持つ中赤外超短パルスレーザー光源の開発に取り組んでいます。
However, it is not easy to produce ultrashort pulses in the mid-infrared region. Currently,
mid-infrared pulses are prepared by applying frequency down-conversion using nonlinear optical effects to near-infrared pulses, but significant challenges remain in terms of energy efficiency, stability, and installation cost. Therefore, we are working on the development of mid-infrared ultrashort pulsed laser sources that are simpler and have superior energy efficiency and beam quality.
Fig. 2 Ultrashort pulse generation in the mid-infrared
Cr:ZnSモード同期レーザーの開発
Development of Cr:ZnS Mode-Locked Lasers
CrやFeイオンをII-IV族化合物にドープした物質は、中赤外領域に広い蛍光スペクトルを有し、レーザー媒質として優れた特性を持つため、中赤外領域の次世代レーザー媒質として注目を集めています。芦原研究室では特に、「Cr:ZnS」を用いたレーザーを開発しています（図３）。過飽和吸収体として単層カーボンナノチューブ（SWCNT）を利用することで、パルス発振のセルフスタートという、実用上とても重要なレーザー特性を実現しました [1, 2]。
Materials doped with Cr or Fe ions in II-IV compounds have broad fluorescence spectra in the mid-infrared region and excellent properties as a laser medium, and are therefore attracting attention as a next-generation laser medium in the mid-infrared region. In particular, we are developing a laser using “Cr:ZnS”. By utilizing single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as saturable absorbers, we have achieved self-starting of pulsed oscillation, a very important laser property for practical use [1, 2].
Fig. 3 Schematic of our Cr:ZnS mid-infrared ultrafast laser system
- D. Okazaki, H. Arai, A. Anisimov, E. I. Kauppinen, S. Chiashi, S. Maruyama, N. Saito, S. Ashihara, “Self-starting mode-locked Cr:ZnS laser using single-walled carbon nanotubes with resonant absorption at 2.4 μm,” Optics Letters, Vol.44, Issue.7, pp. 1750-1753 (2019).
- D. Okazaki, I. Morichika, H. Arai, E. I. Kauppinen, Q. Zhang, A. Anisimov, I. Varjos, S. Chiashi, S. Maruyama, S. Ashihara, “Ultrafast saturable absorption of large-diameter single-walled carbon nanotubes for passive mode-locking in the mid-infrared,” Optics Express vol.28, 14, pp. 19997-20006 (2020).